一种铝合金激光深熔焊接气孔的抑制方法与流程

本发明涉及一种铝合金激光深熔焊接气孔的抑制方法，属于铝合金激光焊接领域。

背景技术：

由于铝合金具有比强度高、耐腐蚀性好、塑性好、易于加工成型等优点，在高速列车轻量化结构设计中被大量使用于车体的生产制造。激光焊接铝合金相比于传统电弧焊接铝合金，具有能量密度高，焊接速度快，变形小，接头性能良好，越来越多地应用于实际生产当中。但是由于激光焊接熔池深宽比更大，熔池体积更小，焊接速度更高，熔池冷却结晶速度更快，不利于气泡的上浮溢出。因此气孔缺陷仍然是铝合金激光焊接过程中难以避免的难题。气孔的存在不仅会降低焊接接头的有效承载面积，而且会使局部造成应力集中，从而降低焊接接头的强度和韧性，严重影响焊接接头的服役寿命。因此，如何降低激光焊接铝合金过程中的气孔率至关重要。

激光焊接铝合金过程中主要存在两类气孔，一类是氢气孔，主要是空气中的水分或是氧化膜上的水分高温下反应产生氢，在冷却过程中来不及逸出形成气孔，这类气孔多通过使用化学试剂进行表面清洗或机械打磨去除铝合金表面氧化膜的物理方法来控制。但机械清理的方法的清理效果难以保证。

而另一类是冶金气孔，主要是激光深熔焊接中产生的深熔小孔不稳定造成的。特别是对于含有低熔点、低沸点的Mg、Zn等合金元素的5XXX、7XXX系列铝合金，在焊接过程中大量合金元素的蒸发烧损容易导致小孔剧烈波动，造成小孔根部失稳，从而产生大量工艺性气孔。这类气孔去除难度较大，且与工艺参数密切相关。有研究结果表明，采用双焦点激光焊接、脉冲激光调制、焦点振动激光、外加电磁场辅助的激光焊接及激光-TIG双面焊接等工艺方法可以控制铝合金激光深熔焊接工艺气孔，但这些工艺方法在实际应用中都存在很大的局限性，同时也并不能从根本上克服气孔问题，且工艺复杂，适应性不足。迫切需要发展一种工序简单、操作便捷，工艺适应性好，且有效的气孔抑制方法。

技术实现要素：
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针对铝合金激光焊接的气孔难题，本发明提出了一种铝合金激光深熔焊接气孔的抑制方法，其特征在于：焊接前，在两个待焊母材对接面之间预置与待焊截面尺寸大小相同的金属铌(Nb)箔或Nb层，激光束从工件正面垂直或沿焊缝方向倾斜入射于Nb箔位置，对工件进行激光自熔或填丝深熔焊接。利用铌元素的吸气和固氢作用，抑制焊接氢气孔的形成，同时焊接过程中，高熔点的铌可以增加熔池温度，改善熔池的流动性，改善激光焊接过程稳定性，抑制气孔形成。

以上所述的一种铝合金激光深熔焊接气孔的抑制方法，其特征在于所加金属Nb箔或Nb层的厚度不超过0.05mm，可以通过焊前在待焊母材对接界面中预置一定厚度的Nb箔，也可以用物理方法沉积或蒸镀方法在待焊母材界面沉积一定厚度Nb层来实现。从成本以及制造难度的角度，建议Nb箔或Nb层为0.01-0.05，太薄难以制造成本过高。

以上所述的一种铝合金激光深熔焊接气孔的抑制方法，其特征在于所述激光束为CO₂激光、YAG激光、光纤激光或半导体激光；所述激光焊接为单纯激光焊接也可以是激光-电弧复合焊接，且激光功率超过所焊母材的深熔阈值，形成深熔焊接。

本发明的基本原理是：金属Nb能吸收气体，可用作除气剂，这是由于氢易溶于铌中，氢化铌结构稳定，焊缝中一定量铌元素的存在能起到固定氢的作用，实现铝合金深熔焊接时的氢气孔形成的抑制。其次，冶金气孔主要是由于铝合金激光深熔焊接过程中深熔小孔处于不稳定的状态，小孔塌陷而形成的孔洞。究其动力学因素，主要是由于其表面张力大于蒸气压力，不能维持稳定产生塌陷，液态金属来不及填充，从而形成气孔。由于Nb的熔点远高于铝合金熔点，微量Nb的加入，可提高铝合金熔池的温度，改善了熔池的流动性，增加焊接过程的稳定性，有效抑制工艺气孔的产生。

另一方面，微量的Nb熔入铝中，不形成复杂的脆性化合物，它通过诱导析出和控制冷却速度，实现析出物弥散分布，实现接头显微组织的细晶强化和弥散强化，同时在焊缝中铌能提高原子结合力，产生点阵畸变，降低堆垛层错能，阻止位错运动，并阻碍歪扭或畸变主晶格的恢复，实现焊接接头强韧性的改善。

本发明所述的技术方案，可实现铝合金激光焊接或激光-电弧复合焊接气孔形成的有效抑制。同时铌具有常温延展性，不需要进行中间热处理就可以实现大变形，可以根据待焊母材截面进行裁剪，具有工序简单、操作方便的特点。通过对焊后试样进行X射线无损探伤检测以及对焊缝剖面进行金相显微结果分析，均可以明显的看出添加铌箔对铝合金焊缝气孔的抑制效果。

基于预置金属Nb箔或Nb层的铝合金激光深熔焊接气孔的抑制方法操作简单，易于实施，在不改变焊缝基本性能的前提下，可有效抑制铝合金激光深熔焊接过程中易产生气孔缺陷的问题。本发明在高速列车铝合金车体及航空航天大型铝合金结构熔化焊接领域具有较大的实际应用价值。

附图说明

图1：铝合金激光深熔焊接气孔的抑制方法布置示意图；1、待焊母材；2、填充焊丝；3、激光束；4、电弧焊炬或保护气喷嘴；5、Nb箔或Nb层。

图2：同样工艺参数条件下，A7N01铝合金单激光焊接焊缝RT检验效果对比。(a)不添加铌片(b)添加0.05mm厚的铌片

图3：同样工艺参数条件下，A7N01铝合金激光-电弧复合焊接焊缝RT检验效果对比。(a)不添加铌片(b)添加0.05mm厚的铌片

图4：预置0.05mm铌箔的A7N01铝合金激光-电弧复合焊接焊缝成形。(a)焊缝正面(b)焊缝背面(c)焊缝横截面

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本实施例的技术方案示意图如附图1所示。将0.05mm厚的铌箔5(纯度为99.9％)预置在待焊母材1的对接界面中，光纤激光3从工件正面垂直入射于铌箔位置，保护气通过喷嘴4进行熔池保护，沿图中焊接方向对工件进行焊接，焊接时也可以通过送丝咀2填加焊丝。

实施例1：实施例中待焊母材1为4mm厚的A7N01-T4铝合金，试验选用IPG公司的YLS-6000掺镱光纤激光器，波长为1060～1070nm，光纤传输芯径为200μm，输出耦合准直镜的焦距为200mm，聚焦镜焦距为250mm，光斑直径约为0.25。焊接时焦点位于母材表面，激光功率6kW，焊接速度4m/min。保护气体为Ar气，正面和背面保护气流量均为10L/min。将0.05mm厚，4mm宽的铌箔预置于相同长宽截面的待焊母材1之间，用夹具装夹于试验台，进行单激光深熔焊接。图2为相同工艺参数条件下，预置Nb箔和未放置Nb箔的焊缝RT检验结果对比。从图中可以看出，通过添加铌片的方法进行的单激光焊接得到了无气孔缺陷的铝合金焊缝。

实施例2：在实施例1的基础上可以辅加TIG电弧焊炬4进行激光-电弧复合焊接。电弧电源为Magic Wave 3000job数字焊机，TIG参数选用带圆角的矩形方波，频率为60Hz，占空比为64％，基值电流为0。钨极选用直径为2.4mm铈钨极(2％Ce2O3)，钨极干伸长度为3～5mm，钨极尖端距工件表面距离约为2.5mm。填充焊丝为直径1.2mm的ER5356焊丝，通过填丝装置2接入焊丝，通入背面保护气流量为10L/min的Ar气保护。将0.05mm厚，4mm宽的铌箔预置于相同长宽截面的待焊母材1之间，进行激光-电弧复合填丝深熔焊接。图3为激光-电弧复合焊接时，预置Nb箔和未放置Nb箔的焊缝RT检验结果对比。从图中可以看出，通过添加铌片的方法进行的激光-电弧复合焊接得到了无气孔缺陷的铝合金焊缝。图4为填加Nb箔的激光-电弧复合焊接焊缝成形照片。从图中可以看出，焊缝表面光亮，鱼鳞纹均匀光滑，焊缝成形良好，同时可以通过控制铌箔厚度进行显微组织调控。

以上实施例均证明通过加入铌箔的方式可实现对铝合金激光焊接或激光-电弧复合焊接气孔形成的有效抑制。